化工原理板式塔精餾實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革

陳菲菲，朱秋實(shí)，阮朝暉，陳玉成，肖培培，徐蘊(yùn)

（淮北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

板式塔精餾實(shí)驗(yàn)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)與《化工原理》（下冊(cè)）教材的精餾理論部分緊密結(jié)合，既可對(duì)精餾理論進(jìn)行驗(yàn)證，也使學(xué)生熟悉精餾工藝流程和一些基本實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生理論和實(shí)際相結(jié)合的能力，在將來(lái)工作中使其具有進(jìn)行精餾工藝研發(fā)和將成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的能力[1-2]。

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)有著各自的特點(diǎn)。板式塔精餾實(shí)驗(yàn)屬于化工專業(yè)的工程實(shí)驗(yàn)，其與各個(gè)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)不同[3-4]。其實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)：①工藝流程。通過(guò)板式塔精餾實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生掌握化工生產(chǎn)中的精餾工藝流程，深入思考工藝過(guò)程中的各種技術(shù)問(wèn)題；②影響因素。精餾實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的因素較多，可以采用均勻設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，也可采用一些數(shù)學(xué)模型研究方法對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程予以簡(jiǎn)化，進(jìn)而考查工藝過(guò)程的原料和各反應(yīng)條件（溫度、時(shí)間、壓力）的影響。

新工科背景下，為培養(yǎng)學(xué)生成為綜合應(yīng)用型人才，確定板式塔精餾實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求：①理論上，掌握板式塔精餾過(guò)程的全面知識(shí)體系；②實(shí)踐調(diào)研中，了解現(xiàn)階段化工廠精餾操作的情況；③提高理論和實(shí)踐相結(jié)合的能力，將四大化學(xué)、化工原理和化工制圖等專業(yè)課程的理論內(nèi)容貫通，結(jié)合實(shí)際操作進(jìn)一步思考理論問(wèn)題；④鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，分析實(shí)驗(yàn)步驟，給學(xué)生提供自行設(shè)計(jì)部分實(shí)驗(yàn)的空間和機(jī)會(huì)。

1 板式塔精餾實(shí)驗(yàn)的教學(xué)

1.1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1.1 試劑與儀器

試劑：乙醇（分析純）、自制去離子水。室溫下乙醇沸點(diǎn)78.3℃。

儀器設(shè)備：篩板式連續(xù)精餾實(shí)驗(yàn)裝置（湘潭金凱化工），操作溫度≤150℃，功率2.5 kW，精餾塔體直徑Φ57×3.5 mm，板間距100 mm，塔板數(shù)13 塊，降液管Φ8×1.5 mm，篩孔直徑2 mm。HX-101型恒溫循環(huán)水浴器（北京長(zhǎng)流科技），操作溫度≤95℃，功率500 W，恒溫波動(dòng)度±0.1℃，頻率50 Hz。WAY（2W）型阿貝折射儀（上海申光儀器），折射率測(cè)量范圍1.300～1.700，溫度顯示范圍0℃～70℃。

1.1.2 乙醇-水物系組成與折光率關(guān)系測(cè)定

配制乙醇-水混合液，利用WAY（2W）阿貝折射儀測(cè)定折光率，如圖1。

圖1 乙醇-水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與折光率關(guān)系圖（15.6℃）

1.1.3 實(shí)驗(yàn)操作

①熟悉實(shí)驗(yàn)裝置圖2。打開(kāi)冷卻水閥門(mén)，接通裝置電源開(kāi)關(guān)；②將配置好的乙醇—水溶液（約10 L）加入12中，開(kāi)啟14將原料轉(zhuǎn)移至再沸器；③開(kāi)啟加熱裝置，然后調(diào)節(jié)加熱電流（5 A），約40 min全回流，回流溫度及回流流量穩(wěn)定后，觀察塔板上汽液接觸狀態(tài)，并從塔頂每10 min 取樣一次，共3次；④從塔釜中取少量樣品（方法同上）；⑤將折光儀和恒溫循環(huán)水浴器連接，并設(shè)置到所需溫度（15.6℃），用其分析樣品的組成；⑥調(diào)節(jié)加熱電流至6 A，重復(fù)操作③～⑤；⑦實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉電加熱開(kāi)關(guān)。待塔釜溫度降至80℃以下，停塔頂冷卻水。

圖2 板式塔精餾裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）利用乙醇水溶液折光率曲線，計(jì)算餾出液和釜?dú)堃旱囊掖紳舛?，根?jù)圖解法求解不同加熱電流下的理論塔板數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 全回流條件下的理論塔板數(shù)

（2）通過(guò)公式計(jì)算蒸汽和回流液的密度，進(jìn)而得到蒸汽的空塔速度，結(jié)果列于表1。

表1 板式塔精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（3）繪制E和u0的關(guān)系圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 u0與E的關(guān)系圖

2 板式塔精餾實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法

2.1 實(shí)驗(yàn)課的預(yù)習(xí)——“線上預(yù)習(xí)小測(cè)評(píng)”

板式塔精餾是化工原理實(shí)驗(yàn)中工藝性較強(qiáng)的一門(mén)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)方法是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材認(rèn)真填寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告，這種方法太過(guò)枯燥無(wú)味，嚴(yán)重影響學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的效果。因此，我們引入“線上預(yù)習(xí)小測(cè)評(píng)”進(jìn)行預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。首先，在線上學(xué)習(xí)通平臺(tái)建立化工原理實(shí)驗(yàn)課程，上傳實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒎椒?、步驟和內(nèi)容在資料中。課前發(fā)布預(yù)習(xí)小測(cè)評(píng)，學(xué)生自己獨(dú)立完成測(cè)評(píng)，使同學(xué)們對(duì)本次實(shí)驗(yàn)課有初步的了解，分析和預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化。老師查看預(yù)習(xí)小測(cè)評(píng)的結(jié)果，及時(shí)掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，進(jìn)而改進(jìn)本次課程的教學(xué)方法，讓學(xué)生可以更好地掌握本次實(shí)驗(yàn)的原理和操作；其次，建立化工教學(xué)網(wǎng)站，教師們可以相互交流和分享化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)相關(guān)視頻，提升自身的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)也可以登錄化工教學(xué)網(wǎng)站，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材里面的內(nèi)容，預(yù)覽相關(guān)設(shè)備圖片和實(shí)驗(yàn)視頻，認(rèn)真填寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告，熟悉板式塔精餾實(shí)驗(yàn)的目的、要求和步驟，了解板式塔設(shè)備的構(gòu)造和使用方法，進(jìn)而大大提高預(yù)習(xí)的效果，調(diào)動(dòng)學(xué)生們做好實(shí)驗(yàn)的積極性；最后，在實(shí)驗(yàn)講解時(shí)，教師以插入提問(wèn)的方式來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)課的“階梯式”授課內(nèi)容

在教學(xué)上，不能單一地對(duì)板式塔實(shí)驗(yàn)的精餾原理進(jìn)行講解，化工原理實(shí)驗(yàn)課是不能離開(kāi)實(shí)踐的[5-6]，不僅要對(duì)化工原理的精餾原理進(jìn)行講解，而且要將知識(shí)與化工廠實(shí)際精餾工藝相結(jié)合，橫向和縱向拓寬學(xué)生的知識(shí)面。因此，在實(shí)驗(yàn)課過(guò)程中，我們引入“階梯式”授課內(nèi)容法。

第一階梯，常規(guī)精餾原理的講解，使學(xué)生由淺入深地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容；第二階梯，精餾工藝流程的演示講解，從“進(jìn)料—加熱—操作”幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行操作；第三階梯，分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并討論工藝過(guò)程影響因素，如回流比、全回流和部分回流、塔板數(shù)以及板效率等；第四階梯，處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果與已有的理論知識(shí)相結(jié)合，認(rèn)真思考，鼓勵(lì)學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)改變回流比或加熱電流對(duì)精餾效果的影響。此外，增加實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，根據(jù)教師的科研成果開(kāi)設(shè)一些與板式塔精餾實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生思考的積極性，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新，如復(fù)雜混合物石油的實(shí)沸點(diǎn)精餾實(shí)驗(yàn)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)室和工廠精餾操作裝置的不同，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握連續(xù)精餾、間歇精餾、共沸精餾和萃取精餾等技術(shù)的不同原理和操作方法。

2.3 有效的師生交流，化工安全和環(huán)保理念自然融入實(shí)驗(yàn)課堂

實(shí)驗(yàn)課前，可以通過(guò)線上發(fā)布一些有關(guān)實(shí)驗(yàn)的小問(wèn)題，提高同學(xué)們預(yù)習(xí)的積極性，也可掌握學(xué)生課前存在的問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)課中，在講解和演示時(shí)提問(wèn)，既可以檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)成效，也可及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)短板，對(duì)其思路進(jìn)行引導(dǎo)，一邊實(shí)驗(yàn)一邊思考，提高學(xué)生的眼、手和腦三者的協(xié)同作用，即觀察、操作和分析相結(jié)合，并對(duì)學(xué)生的疑問(wèn)進(jìn)行交流解答。

同時(shí)，根據(jù)國(guó)家高校思想政治工作，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的專業(yè)知識(shí)講授中，自然融入化工安全、環(huán)境保護(hù)和清潔操作等理念，做到全方面育人，讓學(xué)生全面發(fā)展。例如在板式塔精餾實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作條件如反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力和反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)一定要嚴(yán)格控制在安全范圍內(nèi)，潛移默化地將一絲不茍、安全和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)壤砟钜胝n堂。在精餾實(shí)驗(yàn)分離效果數(shù)據(jù)處理中，高效率要與環(huán)保相結(jié)合，不能違背綠色原則。

實(shí)驗(yàn)課后，收集學(xué)生對(duì)板式塔精餾實(shí)驗(yàn)課程的感想和意見(jiàn)，了解學(xué)生對(duì)化工原理實(shí)驗(yàn)課程的建議，還可以不定期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探討，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)化工工藝的認(rèn)知，促進(jìn)課程的不斷改革[7-8]。

2.4 課時(shí)分配和批改報(bào)告

化工原理實(shí)驗(yàn)課一共有36 學(xué)時(shí)，9 個(gè)實(shí)驗(yàn)（7 個(gè)必選，2個(gè)自選）。在周六可以開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)感興趣的相關(guān)化工實(shí)驗(yàn)，提高其開(kāi)展科研工作的能力，為將來(lái)做好畢業(yè)論文打好基礎(chǔ)。

撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告是學(xué)生的一種基礎(chǔ)訓(xùn)練，其有助于對(duì)后續(xù)論文結(jié)果與討論的寫(xiě)作。首先，在實(shí)驗(yàn)教材中強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫(xiě)作內(nèi)容、方式和要求，如板式塔精餾實(shí)驗(yàn)操作條件的改變對(duì)分離效果有著什么影響？寫(xiě)出如何合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)尋找適宜的回流比，解決理論上的問(wèn)題；其次，教師在評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)要嚴(yán)格把關(guān)，需具體指出報(bào)告存在的問(wèn)題，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析和討論部分。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)可由表2中的各部分組成。

表2 實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布情況

2.5 重視實(shí)驗(yàn)、化工仿真和其他學(xué)科知識(shí)的聯(lián)系

板式塔精餾實(shí)驗(yàn)是復(fù)雜的工程問(wèn)題，原料性質(zhì)、操作溫度、回流比和板式塔結(jié)構(gòu)等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求不斷調(diào)整操作，因此，仿真實(shí)驗(yàn)特別重要。在仿真的模擬板式塔精餾實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生既可以直觀地了解實(shí)驗(yàn)全部精餾工藝過(guò)程，也可以進(jìn)行反復(fù)操作練習(xí)，并及時(shí)對(duì)錯(cuò)誤操作進(jìn)行糾正，大大提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)感性認(rèn)識(shí)，對(duì)于教師實(shí)驗(yàn)課的講解也起到了事半功倍的效果。化工實(shí)驗(yàn)仿真使得實(shí)驗(yàn)更加生動(dòng)活潑，不僅可以提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，而且鍛煉其分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生成為綜合型人才很有意義[9-10]。

化工原理實(shí)驗(yàn)課程與化工專業(yè)其他學(xué)科理論密切相關(guān)，如學(xué)生可以通過(guò)化工原理課程中的精餾理論，理解實(shí)驗(yàn)原理和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作；利用化工制圖課程中工藝流程的讀圖和畫(huà)圖方法，掌握實(shí)驗(yàn)工藝流程和板式塔結(jié)構(gòu)；同時(shí)利用計(jì)算機(jī)課程中的origin 和office 軟件等工具，檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力和作圖水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

化工原理實(shí)驗(yàn)要注重實(shí)際工程技術(shù)的教學(xué)特色，板式塔精餾實(shí)驗(yàn)屬于化工專業(yè)的化工原理實(shí)驗(yàn)，與工廠的工程實(shí)際操作相接近，因此，教師應(yīng)該重視特色教學(xué)和改革，利用理論和工廠實(shí)踐緊密結(jié)合，自然引入思政教學(xué)，提高化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，完成化工綜合人才培養(yǎng)目標(biāo)，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)操作，擁有扎實(shí)的化工理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)和提升學(xué)生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新和綜合能力，為后續(xù)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)提供有力幫助。